ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2011, том 437, № 5, с. 669-674
ГЕОХИМИЯ
УДК 552.11:550.41
ФАЗОВЫЕ СООТНОШЕНИЯ И ПЛАВЛЕНИЕ В СИСТЕМАХ
перидотит-н2о-со2 и эклогит-н2о-со2
ПРИ ДАВЛЕНИЯХ ДО 27 ГПа
© 2011 г. К. Д. Литасов, А. Ф. Шацкий, член-корреспондент РАН Н. П. Похиленко
Поступило 16.11.2010 г.
Экспериментальное изучение фазовых равновесий с летучими компонентами является важнейшей задачей для решения вопросов, связанных с процессами плавления и распределения вещества в мантии Земли [1]. Основные летучие компоненты в мантии могут быть описаны в рамках системы С—О—Н. В верхней мантии на глубинах до 100—200 км доминируют окисленные формы Н2О и СО2. На более глубинных уровнях при
постепенном уменьшении значений важную роль приобретают СН4, возможно, другие углеводороды и Н2 [2, 3]. Тем не менее окисленные формы могут сохраняться и на глубинах по крайней мере до 600—700 км [4], а также участвовать в "ре-докс-плавлении" [5]. Поэтому важно знать об их влиянии на фазовые соотношения в мантийных породах при высоких давлениях. Солидусы и фазовые равновесия перидотитовых и эклогитовых систем с Н2О изучены достаточно детально до давлений 25 ГПа [6, 7]. Эти же системы с СО2 изучены до давлений 20—32 ГПа [8—11]. Однако системы, содержащие как Н2О, так и СО2, исследованы только при низких давлениях до 6 ГПа [5, 12—14]. В настоящей работе представлены основные результаты экспериментального исследования систем перидотит—Н2О—СО2 и эклогит-Н2О—СО2 до давлений 27 ГПа.
Исходные составы перидотита и эклогита (табл. 1, 2) содержали по 3 мас. % Н2О и СО2. В составе перидотита по сравнению с пиролитом немного понижены содержания А12О3 и СаО и повышены Сг2О3, №О. Эклогит имеет состав измененного базальта срединно-океанических хребтов (несколько недосыщенный 8Ю2). Эксперименты проводили при давлениях 3—27 ГПа и температурах 800—1500°С (рис. 1) с использованием много-пуансонных аппаратов высокого давления в Университете Токоху (Сэндай, Япония). Октаэдриче-
Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской Академии наук, Новосибирск
скую ячейку из ZrO2 помещали в центре блока из 8 кубических пуансонов из карбида вольфрама. Длина ребра треугольных рабочих площадок пуансонов составляла от 12 до 2 мм в различных конфигурациях [10, 11]. В качестве нагревателя использовали графитовую или ЬаСгО3-трубку, изолированную от капсулы с образцом втулкой из М§О. Порошок образца загружали в Аи-Рё-кап-сулу и после тщательной просушки запаивали с помощью дуговой сварки. При 3-6.5 ГПа в самых высокотемпературных экспериментах использовали Р1-графитовую капсулу. Каждая ячейка, за исключением опытов при 27 ГПа, содержала две капсулы, одну с перидотитовым и вторую - с эк-логитовым составом. Температуру в каждом опыте контролировали термопарой '^,7Яе3—'^-5Яе25, размещенной в центре нагревателя. Особенности калибровки давления и температурные градиенты в капсулах приведены в работах [10, 11]. Состав фаз определяли на микрозондовом анализаторе 1БОЬ 8ирегргоЪе ЖА-8800 в Университете Тохоку с использованием специальных методик для анализа карбонатов и закалочных агрегатов расплава.
В перидотитовой системе ассоциация силикатных минералов включает оливин/вадслеит/рингву-дит (при 16 ГПа вадслеит и рингвудит сосуществуют в интервале температур 1100-1400°С)-ортопирок-сен/клиноэнстатит-гранат. Клинопироксен присутствует только при 3 и 6.5 ГПа. При 21 ГПа стабильны рингвудит + гранат, при 1000-1100°С к ним добавляется стишовит. При 27 ГПа стабильна обычная ассоциация перидотита М§-перовскит-Са-перовскит-ферропериклаз (рис. 1). Магнезит присутствует в качестве единственной карбонатной фазы во всем интервале давлений. Температура стабильности магнезита составляет около 1300°С в интервале давлений 10-27 ГПа и снижается только при более низких давлениях (рис. 1). Водосодержащие суперводная фаза В и фаза D были установлены только при 21 и 27 ГПа и 1000-1100°С. Так как при более низких давлениях водо-содержащих фаз не обнаружено, то температура солидуса не была определена. Эксперименты при
Таблица 1. Представительные составы фаз в системе перидотит—Н20—С02, мас. %
Фаза Мод. % 8102 ТЮ2 А1203 СГ203 Бе0 Мп0 N10 Mg0 Са0 №20 к20 Р205 Сумма
Перидотит* 42.3 0.29 3.31 0.67 8.14 0.15 0.28 35.5 2.84 0.38 0.08 0.08 94.0
10 ГПа, 1 200°С, 24 ч
Ол 32 40.9 0.07 0.12 0.07 9.50 0.15 0.77 48.6 0.15 0 0 0 100.3
Кэн 33 58.2 0.12 0.16 0.07 3.19 0.12 0.17 37.3 0.19 0.05 0 0 100.3
Гт 18 42.9 0.64 10.4 2.56 13.1 0.42 0.05 21.5 7.45 0.22 0 0.15 99.43
Мзт 3 0.21 0 0 0 2.76 0.22 0.24 44.8 0.19 0.11 0 0.04 48.57
Р ~14 17.7 0.72 1.39 0.04 8.65 0.13 0.04 19.03 10.91 1.56 0.21 0.80 61.18
16 ГПа, 1200°С, 24 ч
Вд 15 41.5 0.09 0.13 0.41 8.28 0.25 0.49 47.2 0.05 0 0 0 98.40
Рв 22 40.6 0.09 0.06 0.06 11.4 0.12 0.81 45.7 0 0 0 0 98.84
Кэн 30 58.5 0.07 0.32 0.13 2.45 0.17 0.18 37.8 0.07 0.13 0 0 99.78
Гт 15 49.3 0.33 7.92 1.96 8.04 0.39 0.1 27.5 4.53 0.46 0.05 0.08 100.6
Мзт 4 0.15 0 0.06 0 2.03 0.33 0.08 44.8 0 0.07 0 0 47.52
Р ~14 15.2 0.78 3.27 0.09 11.4 0.12 0.05 11.4 14.2 1.88 0.44 0.41 59.22
21 ГПа, 1000°С, 48 ч **
СуВ 34 25.4 0.11 3.17 0.59 7.04 0.21 0.87 54.7 0.11 0.23 0 0 92.43
Б 6 51.2 0.05 7.51 1.37 5.81 0.21 0.32 19.4 0 0.11 0.02 0 86.00
21 ГПа, 1200°С, 24 ч
Рв 47 41.2 0.05 0.14 0.34 10.1 0.09 0.82 45.8 0 0 0 0 98.54
Гт 26.5 50.3 0.13 7.01 2.23 7.74 0.35 0.09 29.2 2.97 0.45 0.04 0.24 100.7
Ст 5.5 98.3 0.03 0.57 0.05 0.24 0.07 0.09 0.08 0 0.12 0 0 99.54
Мзт 4 0.12 0 0.04 0.07 1.72 0.27 0.43 45.1 0.15 0.19 0 0 48.08
Р ~17 23.4 1.13 1.27 0.08 11.4 0.24 0.11 26.2 11.9 1.82 0.28 0.21 78.05
Примечание. * Стартовый состав, содержит также по 3 мас. % Н2О и СО2.
** Приведены только водосодержащие фазы. Ол — оливин, Кэн — клиноэнстатит, Гт — гранат, Мзт — магнезит, Р — расплав, Вд — вадслеит, Рв — рингвудит, СуВ — суперводная фаза В, D — фаза D.
10 и 16 ГПа не проводили ниже 1000°С, так как уже при этой температуре сохраняется большое количество метастабильных фаз даже при длительных выдержках. В экспериментах при 800— 900°С и 3—6.5 ГПа присутствуют редкие закалочные кристаллы карбонатов, но состав расплавов установить не удалось, в образцах присутствуют пустоты, которые затрудняют их полировку. Возможно эти пустоты указывают на присутствие флюидной фазы (или расплава с высоким содержанием летучих >50—60 мас. %). Представительные составы фаз в системе перидотит—Н20—С02 приведены в табл. 1. В данной работе детально рассмотрены лишь составы расплавов. В перидо-титовой системе расплавы низких степеней плавления (от 9 до 33 мас. %) занимают достаточно узкие поля составов на тройных диаграммах (рис. 2, 3). Важно отметить, что составы расплавов низких степеней плавления обогащены 8Ю2 и щелочами, что характерно для системы перидотит—Н20, и отличаются от карбонатитовых расплавов в системе перидотит—С02. Температурные тренды от-
вечают уменьшению относительного содержания 8Ю2 и щелочей и увеличению (Mg+Fe)/Ca-отно-шения.
В эклогитовой системе ассоциация 81-минералов включает гранат и клинопироксен при 3—10 ГПа, гранат—стишовит при 16—21 ГПа и постгранатовую ассоциацию Mg-перовскит—Са-перовскит— стишовит-А1-фаза CF при 27 ГПа (рис. 1). Гранат является ликвидусной фазой и плавится позже клинопироксена и стишовита при увеличении температуры. При 3-10 ГПа в ассоциации присутствует рутил, а при 16-21 ГПа эпизодически появляются Fe—И-оксиды. Доломит стабилен при 3 ГПа, а при более высоких давлениях магнезит является единственной карбонатной фазой. Температура стабильности магнезита в эклогитовой системе составляет около 1100°С в интервале давлений 10—27 ГПа (рис. 1), что на 200°С ниже, чем в перидотитовой системе. Водосодержащих фаз не установлено даже в самых низкотемпературных экспериментах. Поэтому температура со-лидуса не определена и принята условно ниже
Таблица 2. Представительные составы фаз в системе эклогит—Н20—С02, мас. %
Фаза Мод. % 8102 ТЮ2 А1203 СГ203 Бе0 Мп0 N10 МБ0 Са0 №20 К20 Р205 Сумма
Эклогит 42.8 1.68 13.03 0.19 10.2 0.18 0.10 10.2 12.1 2.88 0.38 0.28 94.0
10 ГПа, 1200°С, 24 ч
Гт 45.4 41.9 1.36 18.4 0.34 10.7 0.36 0.07 13.4 12.5 0.72 0.05 0.13 99.83
Кп 35 56.5 0.15 9.58 0.09 8.84 0.13 0.11 6.86 8.89 9.08 0.10 0 100.3
Рут 1.1 0.96 88.1 1.37 0.49 7.65 0.11 0.20 0.56 0.36 0.07 0 0 99.87
Мзт 1.5 0.33 0.03 0 0 3.99 0.11 0.35 43.2 0.9 0.18 0.02 0 49.11
Р 17 23.5 0.75 2.89 0.01 11.2 0.12 0.06 7.46 18.3 1.43 0.52 1.13 67.41
16 ГПа, 1400°С 12 ч
Гт 59 42.4 1.98 17.1 0.31 11.4 0.34 0.03 12.1 13.6 1.22 0.07 0.14 100.7
Ст 12 99.3 0 0.45 0.04 0.23 0.01 0 0.04 0 0 0 0.01 100.1
Р 29 20.5 1.62 4.35 0.01 10.6 0.10 0.26 11.3 14.5 6.14 0.73 0.76 70.81
21 ГПа, 1200°С, 24 ч
Гт 68 43.1 0.44 17.9 0.22 10.3 0.33 0.14 12.7 13.2 1.47 0.04 0.08 99.86
Ст 11 97.1 0.12 1.59 0.07 0.12 0.10 0 0 0.04 0.13 0 0 99.27
Р 21 13.9 6.04 3.17 0.13 13.4 0.19 0.14 7.15 14.7 8.59 0.98 0.67 69.06
Примечание. Кп — клинопироксен, Рут — рутил или ТЮ2-П, Ст — стишовит. Остальные обозначения фаз см. в табл. 1.
1000°С во всем интервале давлений. Так же как в перидотитовой системе, в экспериментах при 800—900°С и 3—6.5 ГПа в образцах присутствуют флюидные пустоты, которые затрудняют их полировку. Представительные составы фаз в системе эклогит—Н20—С02 приведены в табл. 2. По сравнению с перидотитовой системой расплавы в системе эклогит—Н20—С02 имеют несколько большую степень плавления и более широкие вариации составов на тройных диаграммах (рис. 2, 3). Расплавы низких степеней плавления обогащены 8Ю2 и щелочами в большей степени, чем в перидотитовой системе, что также характерно для системы эклогит—Н20 и резко отличается от карбо-натитовых расплавов в системе эклогит—С02. Температурные тренды составов расплавов при 3 ГПа существенно отличаются от остальных. При примерно одинаковом содержании 8Ю2 (28— 32 мас. %) и М§0 (5—7 мас. %) при увеличении температуры происходит быстрый рост содержания Fe0 (5.2-10.7 мас. %) и Са0 (2.8-14.2 мас. %) (рис. 3). При больших давлениях с ростом температуры происходит увеличение сод
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.